李文艷，郭小杰

(1.大同煤炭職業(yè)技術(shù)學院，山西 大同 037003；2.同煤廣發(fā)化學工業(yè)有限公司，山西 大同 037001)

0 引言

重油又稱燃料油或鍋爐燃料.重油是非常規(guī)石油的統(tǒng)稱，包括重質(zhì)油、高粘油等，一般在常溫下粘度很大，不能應(yīng)用和提煉.隨著我國GDP超過日本成為全球第二大經(jīng)濟體，我國能源消耗量快速增長，鍋爐用重油的消耗量也日益增加.另一方面，我國煤炭儲量相對豐富，急需開發(fā)利用煤炭完全或部分代替重油鍋爐用燃料油技術(shù).

油煤漿是一種以煤基物代部分重油技術(shù)，它是以煉焦副產(chǎn)物-高溫煤焦油，重油為主要原料，通過調(diào)和技術(shù)制備鍋爐用液固漿態(tài)燃料.由于高溫煤焦油、煤炭都是煤基物質(zhì)，因此該技術(shù)是一項以煤部分代油的技術(shù).

油煤漿粘度是衡量燃料油性質(zhì)的重要指標之一，其直接關(guān)系到油煤漿輸送，霧化特性[1]和燃燒特性，所以本文只研究油煤漿的粘度.

1 取樣和試樣制備

高溫煤焦油取自云岡制氣焦化廠凈化車間.大同煙煤煤粉取自大同塔山礦，經(jīng)塔山洗煤廠后，在實驗室研磨至200目以上備用.大同煙煤煤樣分析見表1.

表1 原料煤粉分析

2 實驗部分

2.1 調(diào)和油制備方法

首先將高溫煤焦油和重油分別預熱且按一定體積比例混合，經(jīng)過膠體磨處理后制成調(diào)和油，用粘度計測定調(diào)和油粘度.

2.2 煤焦油制備方法

首先將高溫煤焦油和重油分別預熱且按一定體積比例混合，再將研磨好的煤粉加入到混合油中，然后在恒溫條件下，攪拌約5分鐘使其初步混合，把初步混合的煤粉—混合油漿迅速經(jīng)過膠體磨進一步剪切混合得油煤漿，用粘度計測定油煤漿粘度.

3 結(jié)果和討論

3.1 溫度變化對煤焦油和重油的粘度的影響

調(diào)和油粘度隨溫度變化的特點是由煤焦油和重油的粘度隨溫度變化的特點決定的.圖1為煤焦油溫度與粘度的關(guān)系.圖2為重油溫度與粘度的關(guān)系.

據(jù)實際用燃料油經(jīng)驗，55℃為燃料油的運輸溫度，90℃為燃料油的燃燒預熱溫度，本實驗測量調(diào)和燃料油粘度的溫度范圍為50～95℃，每隔5℃取點，測量粘度值.

圖1 煤焦油溫度和粘度的關(guān)系

圖2 重油溫度和粘度的關(guān)系

圖1、2可以看出，隨著溫度的升高，煤焦油和重油的粘度溫度升高而逐漸降低.50℃時，煤焦油粘度為240mPa·s，重油的粘度為6700mPa·s.95℃時，煤焦油粘度為21mPa·s，重油的粘度為470mPa·s.

煤焦油主要由蒽、菲等稠芳香環(huán)化合物和烷基取代的芳香族化合物組成.重油是混合物，成分非常復雜，含有96～99%C、H，可用化學式CnHm來表示，m=1.5～1.8n[2]，其余主要是由瀝青質(zhì)和膠質(zhì)組成.煤焦油和重油中的高分子極性化合物，分子內(nèi)和分子間的π-π鍵和氫鍵，隨著溫度升高，部分π-π鍵和氫鍵吸收熱量而分解成相對短鏈烴，隨著溫度的升高，煤焦油和重油的粘度下降圖3為煤焦油溫度與粘度關(guān)系的曲線和重油溫度與粘度關(guān)系的曲線比較.

圖3 煤焦油溫度與粘度關(guān)系的曲線和重油溫度與粘度關(guān)系的曲線比較

圖3中數(shù)據(jù)表明，隨溫度升高，重油粘度下降趨勢較大.煤焦油粘度下降相對平緩.50℃時，二者粘度相差6460mPa·s，95℃時，二者粘度相差449mPa·s.粘度差值減少了14.4倍.

3.2 溫度變化對調(diào)和油的粘度的影響

圖4煤焦油和重油調(diào)和比(體積比)為2：1時，調(diào)和制成燃料油溫度和粘度的關(guān)系.

圖4 調(diào)和比2：1的調(diào)和油溫度與粘度的關(guān)系

圖4中可看出，隨溫度逐漸升高調(diào)和燃料油的粘度值快速下降.50℃時，調(diào)和油粘度值1950mPa·s，95℃時，粘度值下降到97mPa·s下降了95.02%.溫度變化對調(diào)和油粘度影響顯著.50℃到75℃，調(diào)和油粘度下降顯著，75℃到80℃，調(diào)和油粘度下降平緩.

煤焦油和重油由于存在π-π鍵和氫鍵，使稠芳香環(huán)化合物等物質(zhì)彼此發(fā)生締合，從而形成一種超分子結(jié)構(gòu).在將兩種油調(diào)和以后，超分子結(jié)構(gòu)形成以超分子結(jié)構(gòu)為核、以吸附-溶劑化層為外殼的“復雜結(jié)構(gòu)體”.隨著溫度升高，分子吸收熱量，π-π鍵和氫鍵數(shù)目減少，“復雜結(jié)構(gòu)體”“解體”使得液相粘度下降.

從50℃升高到75℃，調(diào)和油吸熱局部融化，調(diào)和油由膏狀逐漸融化為常見液態(tài).根據(jù)結(jié)構(gòu)-粘度理論，在低溫狀態(tài)，分子間距離近，分子間引力大[3]，分子運動能量較小，隨溫度提高，單個分子在平衡位置熱運動劇烈，粘度迅速下降；約75℃時，調(diào)和油全部融化為常見液態(tài).調(diào)和油溫度進一步升高，分子運動能量大，分子間距較遠引力小，流動性增強，粘度隨溫度的減少相對減慢.

3.3 膠體磨的對調(diào)和油粘度的作用

膠體磨的定子與轉(zhuǎn)子做相對高速旋轉(zhuǎn)運動，使物料在離心力、重力的作用下，受到強大的剪切力、磨擦力、高頻震動力、沖擊力等復合力作用，使物料破碎分散而達到理想均質(zhì)混合狀態(tài).圖3-4是同樣調(diào)和比例下，同樣試驗條件下，兩組調(diào)和油用電動攪拌器攪拌以后，一組經(jīng)過膠體磨，另一組沒有經(jīng)過膠體磨作用.

圖5 膠體磨的作用對調(diào)和油粘度的影響

圖5中可以看出，50℃時，未經(jīng)過膠體磨處理的調(diào)和油粘度值4600mPa·s，經(jīng)過膠體磨處理的調(diào)和油粘度值4100mPa·s，95℃時，未經(jīng)過膠體磨處理的調(diào)和油粘度值265mPa·s，經(jīng)過膠體磨處理的調(diào)和油粘度值235mPa·s.同樣實驗條件下，經(jīng)過膠體磨處理的調(diào)和油粘度低.

膠體磨的剪切力等復合力作用，把把物料剪切成薄層，減少單一物料的區(qū)域，最后區(qū)域界限消失而物料達到完全混合.

由于剪切力做功產(chǎn)生能量[4]，這些能量能夠破壞部分長鏈烴類分子內(nèi)和分子間的π-π鍵和氫鍵.經(jīng)膠體磨處理的調(diào)和油，在工業(yè)應(yīng)用的時候，就能夠降低油品的預熱溫度，從而節(jié)省能源[5].

3.4 煤粉的添加量對調(diào)和油粘度的影響

圖6 不同煤粉添加量制得的油煤漿粘度和溫度的關(guān)系

圖6為重油和煤焦油以4：1的調(diào)合比制成調(diào)和油，添加大于200目煤粉制成煤漿粘度和溫度的關(guān)系.從圖5可以看出，隨煤粉添加量增加，油煤漿粘度逐漸升高，在50℃時，未加入煤粉的粘度值為3100mPa·s，而加入30%煤粉的試樣的粘度值為11000mPa·s，增加2.5倍.而在95℃時未加入煤粉的試樣粘度值為170mPa·s，而加入30%煤粉的試驗的粘度值為560mPa·s，增加了約2.3倍.這是由于調(diào)和油作為煤粉顆粒間[6]“潤滑劑”，油相量越少，自由相潤滑作用就越差，所以隨著煤粉添加量增大，油相所占比率減少，油煤漿粘度逐漸升高，同時煤粉顆粒的溶脹性使其體積增大，增加了油煤漿中兩相的界面面積，使粘度增加.

4 結(jié)論

(1)隨著溫度升高，調(diào)和油粘度快速下降，溫度升高對調(diào)和油粘度影響顯著.調(diào)和比例可以根據(jù)實際情況提高.

(2)溫度低于75℃調(diào)和油粘度下降迅速，溫度大約75℃時調(diào)和油粘度下降相對緩慢.75℃為調(diào)和油粘度變化快慢的分界溫度.

(3)膠體磨的剪切研磨具有明顯降低混合油低溫粘度的作用.未經(jīng)過膠體磨處理的調(diào)和油，靜止幾天后會分層.

(4)油煤漿的粘度隨著溫度的升高而降低，隨著煤粉的加入量增加，油煤漿粘度歲溫度的升高而升高.

參考文獻

[1]宋新南，張雙進.油煤漿管道輸送特性研究[J].煤炭學報，2002(3).

[2]沈家云，岑海鋼，等.重油氣化工藝與操作[M].北京:化學工業(yè)出版社，1982:3-5.

[3]T.曼格，W.得雷澤爾.潤滑劑與潤滑[M].北京:北京工業(yè)大學出版社，2003:19-20.

[4]李洋，李艷穩(wěn)，杜宗良，等.剪切作用對膠原熱穩(wěn)定性能的影響[J].中國皮革，2007，36(17)：12-15.

[5]WANG Yong-gang,HAO Li-fang,XIONG Chu-an.Apparent Viscosity changes of coal-oil slurry during heating at atmosphere[J]. Fuel,2007:35(5):,513-517.

[6]韓文煜,常鴻雁,張德祥,等.油煤漿粘溫特性的初步研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2003(4) .